LNG船薄膜型液货舱预冷过程模拟与分析

doi:10.11949/0438-1157.20241389

摘要/Abstract

摘要：

在LNG船的装载过程中，预冷作为确保舱内设备和围护结构可靠性的关键工艺环节，具有重要作用。以LNG船薄膜型液货舱为研究对象，通过构建二维柱坐标系网格，并采用相似方法对液货舱内流场及壁面温度进行数值模拟。该研究不仅显著提升了计算效率，同时较好地还原了液货舱在预冷过程中温度梯度的演变过程。研究结果表明，应重点关注液货舱舱底中心区域以及舱底与侧面交界处的温度变化；为确保主屏蔽层温度下降梯度处于安全范围内，预冷流量需在特定控制策略下进行精准调节。

关键词: LNG船, 薄膜舱, 预冷过程, 数值模拟

Abstract:

Precooling the LNG carrier prior to loading is a critical process to ensure the reliability of cargo equipment and enclosure structures. This study investigates membrane LNG carriers by constructing a two-dimensional cylindrical mesh using similar methodologies, simulating both the flow distribution within the tank and the enclosure temperature. The calculations not only demonstrate efficient performance but also accurately capture the variations in the temperature gradient. The results highlight the importance of monitoring temperature changes at the center and corners of the bottom. To ensure that the main enclosures cool at a safe gradient, an operational strategy regarding the rate of liquid supply should be carefully considered.

Key words: LNG carrier, membrane carrier, precooling process, numerical simulation

中图分类号:

U 674.13⁺3.3

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图/表 16

图1 薄膜型液货舱结构示意图[1-3]

Fig.1 Structure of a membrane type carrier[1-3]

图2 液货舱（a）[2]与简化后柱坐标系模型（b）结构示意图

Fig.2 Structure of a membrane type carrier (a)[2] and its simplified cylindrical model (b)

表1 液货舱参数与简化后的二维柱坐标系模型参数的对比

Table 1 Parameters of a membrane type carrier and its simplified cylindrical model

参数	原始模型	二维柱坐标系
总舱容/m³	41096	41096
底面面积/m²	1310	1483
顶面面积/m²	1048	1483
侧面面积(含斜面)/m²	5107	3783
总换热面积/m²	7465	6749

图3 计算流体域的边界条件

Fig.3 Boundaries of the fluid domain

表2 边界条件参数及取值

Table 2 Parameters of the boundary condition

边界类型	参数类型	参数取值
进口边界	进口速度/(m·s^-1)	0.3325
	进口区域/m	0 ≤ r ≤ 2.77625
	进口温度/K	120
	折算流量/(kg·h^-1)	6400
出口边界	出口压力/kPa	125
冷源项影响区域	冷却功率/(W·m^-3)	542

表3 围护系统结构及材料物性［16-18］

Table 3 Structure and properties of the enclosures［16-18］

结构	厚度/mm	材料	比定压热容/(J·(kg·K)^-1)	密度/(kg·m^-3)	热导率/(W·(m·K)^-1)
主屏蔽层	0.7	殷瓦钢	480	8130	13.80
主绝缘层	230	膨胀珍珠岩	387	50	0.03
次绝缘层	300	膨胀珍珠岩	387	50	0.03
船舱内壳	30	船用钢	480	8130	13.80

图4 模型网格示意图

Fig.4 Mesh of the model

图5 液货舱围护结构的节点分布

Fig.5 Nodes of the enclosures

图6 主绝缘层平均温度随预冷时间的变化

Fig.6 The average temperature of the main insulation layer varies with the precooling time

图7 预冷1 h后温度分布

Fig.7 Temperature distribution after 1 h of precooling

图8 预冷1 h后径向速度分布

Fig.8 Radial velocity distribution after 1 h of precooling

图9 预冷1 h后轴向速度分布

Fig.9 Axial velocity distribution after 1 h of precooling

图10 液货舱内主屏蔽层测点位置

Fig.10 Measuring points on the primary barrier

图11 预冷1000 s后主屏蔽层测点温度

Fig.11 Temperature distribution of the primary barrier after 1000 s of precooling

图12 不同供液率下液货舱主屏蔽层温度下降曲线

Fig.12 Temperature curve of the primary barrier under different liquid supply rates

图13 不同供液率下液货舱主屏蔽层温度下降梯度

Fig.13 Descending gradient of temperature curve of the primary barrier under different liquid supply rates

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